不同工艺对碳纤维复合材料制孔的影响

不同工艺对碳纤维复合材料制孔的影响*

王明海1,2，刘明辉3，徐颖翔2，刘大响1，姜庆杰2

(1.北京航空航天大学 能源与动力工程学院，北京100191；2.沈阳航空航天大学 航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳110136；3. 沈阳飞机设计研究所，沈阳110035)

摘要：传统钻削工艺对碳纤维复合材料制孔时容易产生毛刺、撕裂和分层等加工缺陷。然而，作为一种新型制孔工艺，螺旋铣削在航空难加工材料中的运用越来越广泛。为了分析不同工艺对碳纤维复合材料制孔的影响，在相同切削速度和进给速度的条件下，分别对碳纤维复合材料传统钻孔和螺旋铣孔进行试验，并对制孔过程中的轴向力和加工质量进行检测和分析。结果表明：当切削条件相同时，螺旋铣孔下的轴向力仅仅是传统钻孔的33.97%~51.23%；而且，螺旋铣孔的加工质量要优于传统钻孔，从而更适用于碳纤维复合材料加工。

关键词：碳纤维复合材料；螺旋铣孔；传统钻孔；轴向力；加工质量

文章编号：1001-2265(2015)09-0125-04

收稿日期：2014-11-11

基金项目：*装备重点预研

作者简介：王明海(1971—)，男，济南人，沈阳航空航天大学教授，博士，研究方向为精密高效数控加工技术，(E-mail)wangminghai2008@163.com；通讯作者：徐颖翔(1991—)，男，江西鹰潭人，沈阳航空航天大学硕士研究生，研究方向为精密、超精密加工技术，(E-mail)15040235947@163.com。

中图分类号：TH142;TG506

Effect of Different Hole-making Processes on Carbon Fiber Composite Material

WANG Ming-hai1,2,LIU Ming-hui3,XU Ying-xiang2,LIU Da-xiang1,JIANG Qing-jie2

(1. Energy and Power Engineering Academy Beihang University, Beijing 100191; China;2. Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense of Aeronautical Digital Manufacturing Process, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136; China)

Abstract：Many defects such as burrs, tears and delamination are often observed in conventional drilling carbon fiber composite. While, as a novel hole-making process, helical milling is used for machining aviation difficult materials more and more widely. In order to analyze effect of different hole-making processes on carbon fiber composite material, under the same conditions of cutting speed and feed rate, comparative tests are carried out, then the thrust force and machining quality are detected analyzed. The results show that: when the cutting conditions are the same, the thrust force of the helical milling is only 33.97% ~ 51.23% of conventional drilling; besides, machining quality of helical milling is superior to the traditional drilling, thus helical milling is more suitable for carbon fiber composite material processing.

Key words： carbon fiber composite material; helical milling; traditional drilling; thrust force; machining quality

0引言

为了减小能源消耗、增加飞机寿命、节约维修成本，碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced plastics)在飞机中使用的比重越来越高。在飞机组装过程中，常用螺栓和铆钉把碳纤维复合材料CFRP和其它金属材料连接在一起以增强性能。因此，需要在CFRP叠层板上加工大量的连接孔[1]。

在传统的钻削工艺进行复合材料制孔的过程中,由于钻头横刃处转速为0,横刃区的材料完全靠钻头的推挤作用而形成切屑，因此轴向力将非常大[2]。António T. Marques等[3]通过试验比较不同几何结构的钻头对碳纤维复合材料分层的影响，结果表明，采用合适的切削参数和导向孔能有效的减小分层缺陷。鲍永杰[4]研制的“以磨代钻”新型制孔刀具，能够延长刀具使用寿命并改善碳纤维复合材料制孔质量。

作为一种新型制孔工艺，螺旋铣孔具有切削过程平稳、切削力小和加工精度高等优点，能有效地减小碳纤维复合材料、钛合金等难加工材料制孔过程中出现的问题[5]。王奔等[6]通过试验证明碳纤维复合材料螺旋铣孔下的切削力和切削温度均小于传统钻孔。刘刚等[7]以切削力和加工质量为检测对象，对碳纤维复合材料螺旋铣孔的切削参数进行优化。E. Brinksmeier等[8]对螺旋铣孔的运动学分析，把螺旋铣划分为底刃的钻削作用和侧刃的铣削作用，并结合切削面积推导出钻铣的比例。Wang Haiyan等[9]基于切削理论建立了碳纤维复合材料螺旋铣孔的切削力模型，并通过试验对铣削力系数修正。

本文分别对碳纤维复合材料传统钻孔和螺旋铣孔进行试验，在相同切削速度和加工效率的前提下，对加工过程中的轴向力和加工质量进行检测，对比分析两种不同工艺对碳纤维复合材料制孔的影响。

1刀具运动轨迹分析

图1　螺旋铣孔运动示意图

不同于传统钻孔，螺旋铣孔时刀具中心的运动轨迹是一条螺旋曲线，如图1所示。其中Dm和D分别为铣刀直径和待加工孔直径；e为偏心量，即待加工孔轴线与铣刀轴线之间的偏移距离；n为铣刀自转转速，即机床主轴转速；ng为铣刀公转转速，也称为轨道转速；ap为螺旋线的螺距，也就是铣刀每公转一周沿轴线方向进给的距离[6]。

在螺旋铣孔过程中，铣刀底刃最外端切削速度vm同时受到铣刀自转和公转的影响，即：

(1)

在垂直于轴线的xoy水平面内，铣刀中心的进给速度fc为：

(2)

假设铣刀齿数为N，那么铣刀中心每齿进给量St为：

(3)

假设铣刀沿轴线方向的进给速度为fa，那么每公转轴向切削深度ap为：

ap= fa/ng

(4)

因此，铣刀中心运动轨迹的螺旋角θ为：

(5)

在传统钻孔过程中，待加工孔直径D等于钻头直径Dd。假设主轴转速为n，进给速度为fa，那么钻头最外端切削速度vd为：

vd=(π×Dd×n)/1000

(6)

2试验设计

2.1切削参数选择

刀具切削速度和进给速度是影响孔加工质量和加工效率的主要因素，为了更准确地体现出不同工艺对碳纤维复合材料制孔的影响，在同一组试验中，铣刀底刃最外端切削速度vm等于钻头最外端切削速度vd，并且两者的进给速度也保持一致。此外，为了避免单一切削参数可能更适合某种加工工艺的情况，采用多组切削参数进行对比试验，从而保证试验结果的准确性。

在本试验中，待加工孔直径和钻头直径均为8mm，由于螺旋铣孔时铣刀直径与待加工孔直径的比例大约为55%~90%[10]，因此采用直径为6mm的四刃硬质合金铣刀进行加工。铣刀和钻头的刃部覆TiAlN涂层以增强刀具的强度和韧性。本文对每个切削参数的每个水平进行全面试验，螺旋铣孔切削参数如表1所示，对应的传统钻孔切削参数如表2所示，其它参数可以通过式(1)～(6)计算求得。

表1　螺旋铣孔切削参数

表2　传统钻孔切削参数

2.2试验条件

图2　试验设备连接

试验中工件材料为T700碳纤维环氧树脂复合材料，铺层角度为[0°/90°/+45°/-45°/ 0°]s，对称铺层以消除层间耦合效果，其纤维的体积比为60 ± 5%，工件厚度约为4mm。试验在VMC850B三坐标立式加工中心上进行，如图2所示，碳纤维复合材料板固定在YDX-Ⅲ9702型压电式铣削测力仪上，三个方向的切削力信号通过SINOCERA YE5850型电荷放大器进行放大处理，再经DIN-50S型A/D转换器转换后通过PCI-9118DG型多功能数据采集卡获得模拟信号，并在切削力动态测量显示系统软件中进行分析处理。由于碳纤维切屑的导电性，易造成电器设备的短路，同时碳纤维粉尘吸入人体后危害人的健康。试验过程中，利用吸尘器对产生的碳纤维切屑进行收集。

3结果分析

3.1轴向力

切削力是反映加工过程的重要参数，切削力的大小和波动情况直接体现加工状态并影响加工表面质量[11]。在碳纤维复合材料制孔过程中，轴向力的大小直接影响制孔质量，是造成孔壁周围材料分层，孔入、出口撕裂，毛刺等重大缺陷的主要因素[12]。

图3为两种制孔工艺下轴向力随切削参数变化曲线，从图中可以看出，当切削参数发生改变时，螺旋铣孔和传统钻孔下的轴向力有相同的变化趋势，即轴向力随着主轴转速的增加而减小，随着进给速度的增加而增加。这是因为，当主轴转速增加或者进给速度减小时，刀具每转切削深度也随之减小，从而有利于减小轴向力。

此外，当切削参数相同时，螺旋铣孔轴向力要比传统钻孔轴向力小得多。例如，在主轴转速为2000r/min，进给速度为25mm/min时，螺旋铣孔轴向力达到最大值117.7N，对应的传统钻孔轴向力为319.9N，增加了171.79%；在主轴转速为6000r/min，进给速度为5mm/min时，两种制孔工艺下轴向力均达到最小值，其中螺旋铣孔轴向力为45.8N，传统钻孔轴向力为89.4N，同比增加了95.20%。根据Cheng等[13]提出的临界轴向力观点，在碳纤维复合材料制孔过程中，当轴向力超过复合材料临界轴向力时，将发生分层现象，从而严重减低材料性能以及承载能力。在轴向力的分析中可以看出，采用高的主轴转速和低的进给速度有利于减小轴向力，但是这要么对机床提出更高的要求，要么会降低加工效率。然而，通过采用螺旋铣削工艺对碳纤维复合材料进行制孔，可以在保证加工效率的同时减小轴向力，从而改善加工质量。

图3　轴向力变化曲线

3.2入口质量

以螺旋铣削和传统钻削两种不同的制孔工艺作为单一变量，取切削速度和进给速度相同的一组加工孔为研究对象进行分析。在本试验中，螺旋铣孔的主轴转速为5000r/min，进给速度为20mm/min，对应传统钻孔的主轴转速为3762r/min，进给速度为20mm/min。使用基恩士VHX-2000超景深三维显微镜对制孔质量进行观察。

在入口处，螺旋铣削下的加工孔有少量毛刺产生，如图4a所示。这是因为，不同于传统钻削，在螺旋铣孔过程中，铣刀不仅有沿轴线方向的进给运动，而且在xoy平面内还有一个以待加工孔轴线为中心的圆周运动。对比试验中铣刀的公转方向和毛刺翻卷方向可以发现，正是铣刀螺旋线的切削轨迹导致了孔入口侧毛刺缺陷的产生。图4b为孔入口侧未产生毛刺部分放大100倍后的图像，从图中可以看出，边缘处十分光滑平整，完全没有残余的碳纤维或者撕裂等加工缺陷。

(a)20倍　　　　　　　　　　　(b)100倍

传统钻孔时，钻头中心只有沿轴线方向的进给运动，因此在加工孔入口处没有产生翻卷的毛边，如图5a所示。(图中的毛刺是在孔出口处形成的。)同样，将边缘部分放大100倍后进一步观察，可以发现，孔入口处还残留一些未完全切断的纤维，断口处相对比较粗糙，而且还有轻微的分层现象，如图5b所示。这是因为，加工孔的最终质量是由钻头副切削刃决定的，而传统麻花钻副切削刃不能有效地切断残余的碳纤维，从而导致了加工缺陷的产生，并影响材料的综合性能。

(a)20倍　　　　　　　　　　　(b)100倍

3.3出口质量

随着切削深度增加，材料未切削厚度减小，碳纤维复合材料的临界轴向力也随之下降，当制孔产生的轴向力超过其临界轴向力时，将在孔的出口侧出现分层等加工缺陷[14]。图6为螺旋铣削下加工孔的出口质量，从图中可以看出，在孔的出口处没有毛刺缺陷产生，最外层的碳纤维被铣刀完全切除，进一步放大后可以发现，与螺旋铣孔入口质量一样，孔边缘处十分光滑平整，而且没有撕裂现象。(图6a中右下方的毛刺是在孔入口处产生的。)螺旋铣孔的出口质量较好主要是因为：一方面，锋利的铣刀能有效地切断最外层纤维，从而减小甚至消除出口毛刺，并且产生光滑平整的断口；另一方面，螺旋铣孔过程中产生的轴向力较小，仅仅是相同切削条件下传统钻孔轴向力的41.17%，这有利于避免撕裂和分层缺陷的产生，从而改善出口质量。

(a)20倍　　　　　　　　　　　(b)100倍

利用传统麻花钻加工碳纤维复合材料，其出口质量如图7所示。出口处残留较多未切断的纤维毛刺，进一步放大后还可以看到，断口处的加工质量比较粗糙，有一些纤维裸露在孔边缘附近，此外，过大的轴向力还导致了出口撕裂缺陷的产生。通常，碳纤维复合材料的毛刺缺陷可以通过锉刀或者进一步铰孔消除，然而，撕裂和分层缺陷更为严重，一旦出现，几乎无法修复。

(a)20倍　　　　　　　　　　　(b)100倍

3.4孔壁质量

为了分析不同制孔工艺对孔壁质量的影响，采用金刚石切割片将复合材料板沿横向切开，并放在显微镜下进行观察，如图8和图9所示。对比可以发现，螺旋铣削下的孔壁比较光滑，纤维都被整齐地切断，加工质量较好，用TR240便携式表面粗糙度仪测得其平均粗糙度也只有1.013μm。然而，通过传统钻削工艺产生的孔壁质量较差，不仅残留未切断的碳纤维，而且在孔壁表面还有微裂纹等加工缺陷，从而导致其粗糙度大大增加，甚至超出了粗糙度仪的有效测量范围。

孔壁表面产生微裂纹缺陷的主要原因有[15]：①复合材料在制备过程中就已经存在原始裂纹，加工后恰好出现在孔壁表面；②制孔产生的轴向力超过复合材料的层间粘合强度，导致树脂基体开裂，从而造成局部分层缺陷的产生，在孔壁表面表现为微裂纹；③使用传统麻花钻进行碳纤维复合材料制孔时，钻头不能有效地切断纤维，导致部分纤维被钻头整体拔出，从而产生空洞，造成孔壁表面微裂纹缺陷的出现。然而，将其它切削参数下的加工孔切开发现，螺旋铣孔下的孔壁质量均较好，而传统钻孔下的孔壁表面却或多或少都有微裂纹缺陷产生。因此，可以排除复合材料在制备过程中就已经存在原始裂纹的可能，并且推断传统钻削工艺不适用于碳纤维复合材料制孔。

(a)20倍　　　　　　　　　　　(b)100倍

(a)20倍　　　　　　　　　　　(b)100倍

4结论

(1)当切削参数发生变化时，碳纤维复合材料螺旋铣孔和传统钻孔下的轴向力有相同变化趋势，即随着主轴转速的增加和进给速度的减小，轴向力也随之减小。当切削速度和进给速度相同时，螺旋铣孔下的轴向力仅仅是传统钻孔的33.97%~51.23%。

(2)取切削速度和进给速度相同的一组加工孔为研究对象，在入口处，螺旋铣削下的加工孔有少量毛刺产生，并且毛刺翻卷方向和铣刀公转方向一致；传统钻削下的加工孔虽然没有明显的毛刺缺陷，但是其孔边缘残留未完全切断的纤维，而且还有轻微的分层现象。

(3)螺旋铣孔出口质量较好，没有明显加工缺陷，而且孔边缘处断口十分光滑平整；然而，传统钻孔时轴向力较大，导致出口产生毛刺和撕裂现象。

(4)螺旋铣孔下孔壁比较光滑，纤维都被整齐地切断，加工质量较好；然而，传统钻孔时容易在孔壁表面产生微裂纹等加工缺陷，恶化加工质量。因此推断传统钻削工艺不适用于碳纤维复合材料制孔。

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(编辑李秀敏)